Все разнообразие нашего мира построено из атомов и молекул. Удивительно, как проявления форм жизни образовались лишь на основе протонов, нейтронов и электронов. Элементарная основа позволяет каждому веществу и организму выполнять свою функцию. Так из семи нот пишется музыка разных направлений, разных стилей. Мы собрали 10 самых интересных фактов об атомах и молекулах.
Самый легкий из атомов – атом водорода
В периодической таблице химических элементов водород стоит на первом месте. Его ядро состоит лишь из одного протона, вокруг которого вращается единственный электрон. Простейшее строение определяет минимальную массу, которую может иметь атом – 1,008 а.е.м. или 1,7х10-24 г.
На Земле водород существует в виде соединений с другими веществами или образует двухатомную молекулу Н2. Если считать в массовом отношении, на его долю приходится 1% земной коры. Если перевести массу в количество атомов, то содержание водорода окажется более внушительным – 17%. Этот показатель ставит элемент на второе место после кислорода (52%).
Во Вселенной водород составляет 88,6% от общей доли атомов, находящихся в космосе в виде звездного вещества и космической пыли.
Главной молекулой живой природы является молекула ДНК
В молекуле ДНК сосредоточена информация о строении каждой клетки живого организма, словно это проектное бюро города, где собраны подробные планы всех зданий. Внешне она напоминает перевитую веревочную лестницу, состоящую из двух нитей и соединенную водородными связями. ДНК вирусов может представлять одну цепочку.
Информация зашифрована в генах, то есть участках молекулы. Ген представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, способных передать код для построения белков и РНК (информационных, транспортных, рибосомных, матричных).
Спираль ДНК человека, если ее вытянуть, протянется почти на 2 м. Это тем более удивительно, что она умещается в ядре размером меньше микрометра. Свернуться в компактную хромосому молекуле помогают нуклеосомы. На них ДНК наматывается, как на катушку.
Пыль – это частица, состоящая из квадриллиона атомов
Пылью называют твердые минеральные или органические частицы размером не более 0,05 мм. Природа образования может быть как естественной, так и связанной с деятельностью человека (антропогенной). В воздух поднимаются вулканический пепел, морская соль, сухая почва, продукты горения после пожаров, пыльца растений. Человек способствует загрязнению воздуха продуктами отопления и горных разработок, выхлопами автотранспорта, удобрениями. Вспашка земли и оголение почвы выкосами травы опасны выветриванием и переносом верхнего слоя грунта ветром.
Если сравнивать твердую взвесь с газообразными загрязнителями воздуха, то последние присутствуют в виде отдельных молекул. Пыль же в каждой частице содержит огромное число молекул и еще большее число атомов.
Атом может иметь электрический заряд
В составе атома электроны несут отрицательный заряд, протоны – положительный. Нейтроны не имеют заряда, то есть нейтральны. Когда количество протонов равно количеству электронов, заряд атома равен нулю. В случае, если электронов больше или меньше, чем протонов, у атома появляется заряд. Он становится ионом.
Ядро, состоящее из нейтронов и протонов, обладает ощутимой массой. Нужно определенное количество энергии, чтобы заставить его терять протоны. Электроны, которые вращаются вокруг него, значительно легче могут перемещаться от одного атома к другому. Добавление электронов приводит к образованию отрицательного заряда, потеря частиц – положительного. Атомы с положительным зарядом называют катионами, атомы с избытком электронов становятся анионами.
Самый тяжелый из атомов – атом урана
Из природных элементов атом урана имеет самую большую массу – 238,0289 а.е.м. В природе находится в основном в виде изотопа U-238. Атом с его 92 протонами чрезвычайно перегружен, при любой возможности выбрасывает протоны и нейтроны с огромной скоростью.
Открыл элемент германский химик Мартин Клапрот в 1789 году при анализе отработанной руды после добычи серебра. «Странное вещество», похожее на металл было диоксидом урана, но выяснилось это только через 50 лет. Клапрот назвал находку в честь далекой планеты, открытой к этому времени Гершелем.
В конце 19 века во Франции Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана, то есть способность терять частицы. Распад может иметь 14 циклов. Уран превращается в радий, радон и другие элементы, образуя на последней стадии свинец.
Слово «атом» происходит из древнегреческого языка и означает «неделимый»
Еще в Древней Греции философ и математик Демокрит предположил, что окружающее состоит из мельчайших частичек. Отсюда произошел термин «атом» или «atomos». Однако подтверждение теория получила только в результате работы ученых в последние 150 лет и с помощью изобретенного микроскопа.
Первое исследование провел англичанин Джон Дальтон на рубеже 18-19 веков. Он установил, что химические элементы вступают в реакции в строго определенном соотношении (закон кратных отношений).
Сейчас мы знаем, что атом представляет собой наименьшую частицу химического элемента и не всегда является неделимым. В состав атома входит ядро с протонами и нейтронами или просто нуклонами от латинского слова «nucleus» – ядро. Снаружи вокруг атома расположено электронное облако.
Стекло не является твердым телом
Твердость вещества – характеристика, основанная на прочности химических связей между атомами и молекулами. В жидкости частицы могут перемещаться относительно друг друга. В твердых телах они лишены такой возможности.
При производстве стекла молекулы кремния, обычно принимающие структуру кристаллической решетки, не успевают занят положенное им место. Стекло быстро остывает и частицы остаются перемешанными хаотично. Такое вещество называют аморфным, однако все же оно твердое.
Вязкость стекла сопоставима с вязкостью свинца, но ведь свинец никто не называет жидкостью. Бытует мнение, что со временем оконные стекла «стекают» вниз. В пример ставят витражи в средневековых храмах. Следует уточнить, что утолщения в их основании появились не с течением времени, а были изначально. Причина кроется в несовершенстве технологии производства.
Молекула меньше яблока во столько же раз, во сколько яблоко меньше Земли
Чтобы представить видимые и невидимые параметры окружающего мира, представим все молекулы одного кубического сантиметра воздуха в виде кирпичей. Их количества хватило бы для покрытия поверхности планеты на высоту 40-этажного дома.
Размеры молекул и атомов настолько малы, что в решении задач молекулярной физики используют относительные величины. Установить их удалось лишь с изобретением электронного микроскопа. Средний диаметр атома и простейшей молекулы составляет порядка 10-10 м. Так, размер молекулы белка – 43х10-10 м. Крупные молекулы достигают 10-7 м.
В ионный микроскоп можно разглядеть строение кристалла и даже определить межатомные расстояния.
Ученые смогли охладить молекулы монофторида стронция практически до абсолютного нуля
Выбор пал на монофторид стронция (SrF) неслучайно. Принцип охлаждения атомов основан на периодическом повторении поглощения и испускания фотонов под воздействием лазера. Таким образом атом теряет кинетическую энергию. Молекулы не настолько чувствительны. Мешает колебательная и вращательная энергия межатомных связей. У фторида стронция эти явления минимальны.
Группа ученых Йельского университета во главе с Д. Демиллем добилась охлаждения молекулы до 300 мкК (0,0003 К). За счет подобранной длины волны лазер погасил вращательные межатомные движения. В дальнейшем молекулы вели себя аналогично атому.
Практически такое достижение в перспективе можно использовать в квантовых компьютерах.
Скорость движения молекул воды может достигать 650 м/с
Молекулы воды находятся в постоянном тепловом движении. Они колеблются с большой частотой (одно колебание за 10-12 … 10-13 с) возле определенного положения, изредка прыгая на освободившееся соседнее место. Скорость движения при этом может приближаться к 600-650 м/с.
И все же молекулы не разлетаются, остаются жидкостью. Происходит это за счет водородных связей. В молекуле H2O пары электронов смещены в сторону кислорода. Водород, оставшийся практически без электрона, представляет собой положительно заряженное ядро. В результате протон водорода притягивает соседние атомы кислорода, образуя прочную межмолекулярную связь.
Благодаря такому сцеплению вода в условиях Земли принимает в основном жидкое состояние, а не кипит как аналогичные гидриды (серы, селена) при –80°С. Водородные связи определяют физические и химические свойства воды, на которых основана жизнь на нашей планете.
